3. A sugárzások biológiai hatásai
3.1. Az ionizáló sugárzások és a biológiai rendszerek
3.1.3. A sugárhatások szakaszai és a sugárbiológiai folyamatok kiváltó okai103
Ez a mennyiség már jól írja le a különböző összetett sugárzások hatásait. Az effektív dózis egysége a Sv.
Szerv, szövet WSZERV ÉRTÉKEI
ivarmirigyek (pete, here) 0,20
csontvelő 0,12
ezeken kívüli együtt: 0,05
Összesen 1,00
3.2. táblázat: Az effektív dózis (3.1) definíciójában szereplő tizenkét szerv és a rájuk vonatkozó wszerv relatív veszélyeztetettségi súlyfaktorok értékei (ICRP 60 kiadvány nyomán)
Az effektív dózis ismeretének nagy előnye, hogy az egyes szervekre vonatkozó kocká-zati súlyozás miatt az összkockázat megítélését egésztest-, vagy csak résztest-besugárzásnál egyaránt lehetővé teszi. A megfelelő súlyozás miatt az olyan sugárzás, amelynek effektív dózisa ugyanaz résztest, vagy egyetlen szerv besugárzásánál, mint az egésztest-besugárzásnál, ugyanakkora rizikót jelent az egyednek. Az effektív dózissal megbecsülhető és ezért össze is hasonlítható a morbiditási, rákkeltési és genetikai kockázat is.
3.1.3. A sugárhatások szakaszai és a sugárbiológiai folyamatok kiváltó okai
Az ionizáló sugárzások az anyagban kizárólag olyan hatásokat hoznak létre, amelyek nyo-mán az anyag szerkezetében a besugárzás előtti állapothoz képest kevésbé rendezett állapot áll elő. Ez az új állapot általában nem egyensúlyi helyzet, amiből következik, hogy a besu-gárzásokat további, hosszabb, vagy rövidebb idejű relaxációs folyamatok követik. Ráadá-sul a folyamatok térbeli eloszlása a besugárzás dózisának függvényében nagyobb térrészre is kiterjedhet. Most ezeket a folyamatokat fogjuk áttekinteni.
A biológiai rendszer anyagának a besugárzó részecskével történt fizikai kölcsönhatási folyamatainak időtartama a ténylegesen bekövetkező jelenségtől függően legalább 10–17 másodperctől legfeljebb mintegy 10–12 másodpercig tart. Az előbbi időtartam kb. az az idő, amely alatt a fény néhány százalékának megfelelő sebességgel mozgó részecske átszel egyetlen atomot, a hosszabb időtartam pedig az a becsült idő, amennyi ahhoz szükséges, hogy a kölcsönhatásba lépett atom környezetéből a részecskék olyan messzire eltávozza-nak, hogy az atom környékén már semmilyen hatásuk se lehessen (tízezredik-százezredik szomszéd). E fizikai fázisban a részecske pályája mentén gerjesztett atomok, ionok, má-sodlagos töltött részecskék keletkezhetnek.4
Az ember szervei általában olyan tulajdonságúak, hogy a bennük lévő folyadékok mi-att a folyamatok fizikai fázisában keletkezett elektromágneses zavarokra, ionizációs nyom-sorozatokra válaszul nagyon rövid idő alatt megkezdődnek a kiegyenlítő, relaxáló folyama-tok. Az ionok nagy része rövid idő alatt rekombinálódik.
A szervekben a sugárzást követő fizikai folyamatok után kialakul a kémiai fázis. Ez azt jelenti, hogy az atomok és molekulák kémiai tulajdonságai határozzák meg az ebben az időtartományban lezajló folyamatokat. A kémiai fázis 10–10 s-től a másodperc tartományba eső ideig tarthat.
A kémiai fázist biokémiai folyamatok követik, amelyek időtartama 1 s-tól mintegy 1000 s-ig tart. Ebben a fázisban a tisztán kémiai jelenségek mellett biológiai folyamatok is szerepet kapnak.
A lényegében csak biológiai folyamatok zárják az ionizáló besugárzással kiváltott változásokat. Legalább órák kellenek a sejtosztódásban fellépő károsodások kialakulásá-hoz, és hasonló nagyságrendű a sejt és testi szövetek megváltozásához szükséges idő. Sok körülménytől függő okok miatt napoktól évekig, évtizedekig tarthat a szomatikus hatások kifejlődésének időszaka. Eközben fontos hatásuk van a reparációs (tehát a sejtek sérülései-nek javítását eredményező) és a repopulációs (tehát a sérült sejtek helyére lépő új sejtek előállítása) folyamatoknak. Bár nem bizonyított, de valószínűleg ezeknél a folyamatoknál válik el a determinisztikus és sztochasztikus sugárkárosodás.
Az ionizáló sugárzások által kiváltott, magához a besugárzáshoz közvetlenül tartozó jelenségekhez képest nagyon hosszú idejű kémiai-biokémiai-biológiai folyamatok fellépte egyértelműen arra utal, hogy a sugárzás komoly következményű változásokat indít el a besugárzott biológiai rendszerben. Mai ismereteink szerint ezeket a változásokat a besu-gárzás nyomán létrejövő szabadgyökök hozzák létre.
A szabadgyökök általában elektromosan semleges atomok, atomcsoportok, amelyek legalább egy páratlan elektronnal rendelkeznek. Ez a kompenzálatlan elektron párt keres magának, ezért a szabadgyökök erősen reaktívak. A páratlan elektron miatt ezek a kép-ződmények nem stabilisak, rövid életűek. A szabadgyökök diffúzió útján terjednek a szö-vetekben és biológiailag aktív helyeken károsodást váltanak ki. Állati szövetek segítségé-vel végrehajtott kísérletek megmutatták, hogy a szabadgyökök károsíthatják a sejteket,
4 Az az idő, amennyi alatt egy részecske teljesen lefékeződik, vagy áthalad az anyagon a részecske sebessé-gétől és a hatótávolságtól függ. Ez az idő a nagy energiájú nehéz töltött részecskéknél a 10-10 s tartományba esik, a β-részecskéknek azonban alacsony az ionizációs veszteségük, hatótávolságuk több tíz cm is lehet, ami még fénysebességhez közeli sebességeknél is ~10 ns tartományba kerülhet. Az ionizációs folyamatok egy-mástól fizikailag távol lévő részjelenségeinek kevés közük van egymáshoz és a lokális jelenséglánchoz.
felgyorsíthatják a rák kifejlődését, kiválthatnak keringési károsodásokat és korral kapcsola-tos betegségeket.
A szabadgyökök lehetnek atomok (például H, F, vagy Cl), szervetlen gyökök (például OH, H2O2, CN, NO2, vagy ClO3) és szerves gyökök (például CH3, CH3CH2). Különösen fontos, hogy az ún. hidratált elektronok, amelyeket 5–7 vízmolekula vesz körül szintén szabadgyök jellegű aktív viselkedést mutatnak.
Az azonos energiájú, de különböző töltött részecskék ionizációs sűrűsége nagyon elté-rő. Így az erősen ionizáló nehéz töltött részecskék (p, α, nehézion) sokkal több szabadgyö-köt hoznak létre, mint a könnyű elektronok. A részecskefajták sugárhatásában eltérő bioló-giai hatásosságnak ez lehet a fő oka.
3.1.4. A sugárbiológiai folyamatokat befolyásoló körülmények
A biológiai rendszerek besugárzása összetett folyamatok sorát váltja ki, amelyek sokrétűek és időben jelentősen elhúzódhatnak. A biológiai válaszokat is sok tényező, körülmény be-folyásolja. Ezek a körülmények egyaránt lehetnek fizikai, kémiai és biológiai jellegűek. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül, a példa kedvéért néhány ilyen tényezőt említünk meg.
A besugárzás időbeli körülményei, az időfaktor nagy hatással van a sugárhatásra. A biológiai válasz szempontjából egyáltalán nem mindegy, hogy ugyanazon ionizáló ré-szecske ugyanakkora dózisát milyen időbeni eloszlásban viselte el a biológiai rendszer. A 3.1. ábra erre mutat be példákat.
3.1. ábra: Az időfaktor jelentős a sugárbiológiai hatásoknál. A bal oldali a) ábrán látszik, hogy ugyanannál a dózisnál a sejtek túlélése akkor valószínűbb, ha alacsonyabb dózisteljesítménnyel,
tehát hosszabb ideig történik a besugárzás. A jobb oldali b) ábrán látszik, hogy a sejtek túlélési valószínűsége jelentősen megváltozott, amikor az A időpontban T időre leállították a besugárzást
A 3.2. ábra egy kísérlet eredményein keresztül mutatja be, hogy az időbeni viszonyok milyen jelentős hatással vannak a besugárzott biológiai rendszerek válaszaira. A kísérlet-ben egér csontvelősejtjeiből készített minták mindegyikét 4 Gy γ-dózissal sugározták be, 2×2 Gy besugárzási minta szerint. Az első besugárzás vége és a második besugárzás kez-dete között eltelt idő függvényében a sejtek túlélési valószínűsége erős függést mutat.
Nyilván a sejtek reparációs folyamataival kapcsolatos az, hogy a túlélés előbb növekszik az eltelt idő függvényében, majd ismét csökken. – Ilyen folyamatok magyarázzák, hogy az orvosi terápiában az előírt dózisokat általában sok részletben kapják meg a betegek.
A másik befolyásoló tényező a besugárzott rendszer hőmérséklete. A kísérletek azt mutatják, hogy magasabb hőmérsékleten nagyobb sugárhatást lehet megfigyelni.
A besugárzásokra adott biológiai válaszok erős oxigéneffektust mutatnak: oxigéndús környezetben alacsonyabb dózissal is nagyobb sugárhatást lehet elérni. Ennek az oka az oxigén és a szabadgyökök különleges kölcsönhatásában kereshető.
3.2. ábra: Egér csontvelősejtjeinek relatív túlélése 4 Gy γ-dózissal történt besugárzás után. A minták besugárzását kétszer 2 Gy besugárzási dózisrészletben hajtották végre, a vízszintes tengelyre a két besugárzás közötti időtartamot mérték fel órákban. A kísérlet a túlélési valószínűség
jelentős függését mutatja a besugárzás időbeni változtatásaitól
A sugárhatást befolyásoló több más tényező mellett fontos hangsúlyozni a kémiai környezet jelentős hatását. Az ok itt is ugyanaz, a kémiai környezet kölcsönhat a besugár-záskor keletkező szabadgyökökkel. A kémiai környezet egyaránt növelheti, vagy csök-kentheti a szabadgyökök hatását. Mindez elvileg felveti sugárvédelmi gyógyszerek kifej-lesztésének lehetőségét. Ilyen kutatások a katonai vonatkozások miatt általában nem nyil-vánosak, de kétség sem fér hozzá, hogy fontos érdek fűződik sikerükhöz.